新聞主題	發(fā)電機交流繞組節(jié)距的定義和設(shè)計

 

摘要：發(fā)電機節(jié)距計算是指計算發(fā)電機中轉(zhuǎn)子上的磁極之間的距離，也稱為極距。發(fā)電機的極距直接影響到發(fā)電機的性能和效率。正確的節(jié)距計算可以確保發(fā)電機的正常運行和高效發(fā)電。在發(fā)電機中，磁極是用于產(chǎn)生磁場的部件，通常由永磁體或電磁鐵制成。磁極之間的距離決定了磁場的分布和強度。過小的節(jié)距會導(dǎo)致磁場不均勻，影響發(fā)電機的輸出功率和穩(wěn)定性；而過大的節(jié)距則會增加磁場的漏磁量，造成能量浪費。柴油發(fā)電機組配備的電球節(jié)距通常分為三分之二節(jié)距和六分之五節(jié)距，康明斯公司在本文中對這兩種節(jié)距進(jìn)行了比較和分析。

 

一、發(fā)電機節(jié)距的計算方法和注意事項

 

      發(fā)電機節(jié)距計算是指在發(fā)電機轉(zhuǎn)子上的各個電樞之間的間距。準(zhǔn)確計算發(fā)電機節(jié)距對于發(fā)電機的正常運行至關(guān)重要，因為節(jié)距的大小直接影響到發(fā)電機的電磁特性和發(fā)電效率。發(fā)電機節(jié)距的計算需要考慮多個因素，包括發(fā)電機的設(shè)計要求、轉(zhuǎn)子的直徑、磁極數(shù)和機械結(jié)構(gòu)等。發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)外觀如圖1、圖2所示，下面將具體介紹幾種常見的發(fā)電機節(jié)距計算方法。

1、 等分法

       這是一種比較簡單粗暴的計算方法，即將轉(zhuǎn)子的周長等分為磁極的數(shù)量。例如，如果轉(zhuǎn)子的周長為C，磁極的數(shù)量為N，那么每個磁極之間的節(jié)距為C/N。

2、 角度法

      這種方法是根據(jù)轉(zhuǎn)子的圓周角度來計算節(jié)距。首先需要知道轉(zhuǎn)子的直徑D和磁極數(shù)N，然后計算出每個磁極所占的角度為360/N。最后，將轉(zhuǎn)子的圓周角度360度除以磁極數(shù)N，得到每個磁極之間的角度，再乘以轉(zhuǎn)子的直徑D，就可以得到節(jié)距的長度。

3、磁極寬度法

      這種方法是根據(jù)磁極的寬度來計算節(jié)距。首先需要知道磁極的寬度W和磁極數(shù)N，然后計算出每個磁極所占的寬度為W/N。最后，將磁極的寬度W除以磁極數(shù)N，得到每個磁極之間的寬度，就可以得到節(jié)距的長度。

4、節(jié)距計算的注意事項

（1） 測量精度：測量轉(zhuǎn)子直徑時要保證精度，以免影響節(jié)距的計算結(jié)果。

（2）節(jié)距調(diào)整：節(jié)距的計算結(jié)果是理論值，實際應(yīng)用中可能需要根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。

（3）公差控制：在實際制造中，需要控制電樞之間的間距在一定的公差范圍內(nèi)，以確保發(fā)電機的性能和可靠性。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計：發(fā)電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計也會影響節(jié)距的計算，例如轉(zhuǎn)子的形狀和電樞的布局等。

（4）高溫效應(yīng)：在高溫環(huán)境下，發(fā)電機的節(jié)距可能會發(fā)生變化，需要進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

 

圖1  同步交流發(fā)電機上下二等角軸測圖

圖2  同步交流發(fā)電機俯視圖

 

二、不同節(jié)距發(fā)電機的對比

 

      發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上有多個電樞，電樞之間的間距就是節(jié)距（如圖3所示）。節(jié)距的大小對于發(fā)電機的電磁特性產(chǎn)生重要影響。節(jié)距過小會導(dǎo)致電樞之間的相互干擾增加，電磁損耗增大，同時也會增加故障發(fā)生的概率；節(jié)距過大則會降低發(fā)電機的發(fā)電效率。因此，合理計算發(fā)電機節(jié)距是確保發(fā)電機正常運行的基礎(chǔ)。

      2/3節(jié)距交流發(fā)電機能抑制3次諧波電流在中性線流過，主要適用于低壓柴油發(fā)電機組；5/6節(jié)距交流發(fā)電機在無中性線的三線配電系統(tǒng)中采用，主要適用于高壓柴油發(fā)電機組（如圖4所示）。如果采取措施消除或減輕諧波電流在中性線中流動的風(fēng)險，可以并聯(lián)不同節(jié)距的交流發(fā)電機。

      繞組節(jié)距和諧波，當(dāng)交流發(fā)電機空載或帶線性負(fù)載運行時，產(chǎn)生的電壓波形形狀根據(jù)其工頻基波頻率和電壓幅度，以及諧波的電壓幅度及其頻率來描述。因為所有交流發(fā)電機都表現(xiàn)出一定程度的諧波電壓失真，因此上述描述是必要的，即使這些失真相對于可能由非線性負(fù)載引起的失真非常小，但在并聯(lián)應(yīng)用中，它們可能仍然相當(dāng)可觀。諧波電壓與工頻基波波形疊加，導(dǎo)致純正弦波的工頻基波形狀有些失真。在任何時間點所得到的電壓都將是工頻基波和所有的諧波之和。

      繞組節(jié)距是影響發(fā)電機輸出電壓波形諧波含量的幾個因素之一。稱為短距系數(shù)（K_p）的參數(shù)定義了由于使用短節(jié)距（即小于全節(jié)距）繞組而導(dǎo)致諧波含量減少的比例。

K_p＝cos［N_x180（1～節(jié)距）/2］..........................（公式1）

式中，N為諧波次數(shù)；節(jié)距為分?jǐn)?shù)（如2/3,5/6等）。

      對于全距繞組（節(jié)距＝1τ，τ為極距），短距系數(shù)對所有諧波為1，即沒有減少工頻基波或任何諧波的電壓幅值。2/3和5/6節(jié)距交流發(fā)電機的主要優(yōu)缺點見表1。

表1   2/3和5/6節(jié)距交流發(fā)電機的繞組短距系數(shù)

 

       對于5/6和2/3節(jié)距的交流發(fā)電機，工頻基波的短距系數(shù)分別為0.97和0.87。這意味著5/6節(jié)距交流發(fā)電機產(chǎn)生的基波電壓等于相同的全距交流發(fā)電機以相同的勵磁水平產(chǎn)生的基波電壓的97％。對于2/3節(jié)距交流發(fā)電機，這一比例由97％下降到87％。這表明具有5/6節(jié)距定子線圈的交流發(fā)電機比在相同的勵磁水平的2/3節(jié)距線圈能夠產(chǎn)生更高的基波電壓。

      同一交流發(fā)電機，用5/6節(jié)距線圈能夠比用2/3節(jié)距線圈輸出更大的功率，即使用相同量的材料可以產(chǎn)生更大的kVA輸出，因此更有效地利用了銅和鋼，這是5/6節(jié)距相比2/3節(jié)距交流發(fā)電機的主要優(yōu)點。

      從表1可以看出，2/3節(jié)距交流發(fā)電機的主要優(yōu)點是它沒有3次諧波含量，事實上，2/3節(jié)距的交流發(fā)電機不產(chǎn)生3次諧波。（術(shù)語3次諧波是指所有3次諧波的奇數(shù)倍，所以3，9.15和21次等屬于3次諧波。）

      重要的是盡量減少所有頻率的諧波電壓?？傊C波失真（THD）為所有頻率的諧波電壓的總和與工頻基波的百分比，是一個經(jīng)常應(yīng)用的交流發(fā)電機參數(shù)。好的交流發(fā)電機設(shè)計可以實現(xiàn)2/3或5/6節(jié)距交流發(fā)電機均具有類似的較小THD值。

      降低所有頻率的諧波電壓均是同等重要，四線的低壓電壓配電系統(tǒng)需要特別考慮3次諧波。（注意，術(shù)語“低電壓”在本文中是指其線電壓低于1000V。因為不同的地區(qū)有不同的中高壓定義，我們將使用術(shù)語“中壓或高電壓”或簡稱“MV/HV”表示線路電壓超過1000V），其中原因是在四線系統(tǒng)中，三相的所有3次諧波電流（實際上所有3次諧波的3倍電流）直接流經(jīng)中性線，這可以導(dǎo)致高水平的諧波失真和潛在中性線過熱風(fēng)險。單相負(fù)載特別是產(chǎn)生3次諧波的單相整流或開關(guān)電源負(fù)載的電流總是需要流經(jīng)中性線。

      低壓三相整流（非線性）負(fù)載也產(chǎn)生3次諧波電流。正是由于這些原因，絕大部分低壓發(fā)電機組采用2/3節(jié)距。雖然5/6節(jié)距繞組能夠消除更多的5和7次諧波，但2/3節(jié)距交流發(fā)電機能夠消除低壓系統(tǒng)中的3次諧波更勝一籌。

      在中壓或高壓下，由于通常不使用中性線，所以較少考慮3次諧波的影響。對于MV/HV發(fā)電機組，通常使用變壓器進(jìn)行降壓。為了給單相負(fù)載提供中性線，變壓器的低壓繞組一般采用星形（丫）聯(lián)結(jié)。與發(fā)電機繞組直接連接變壓器的高壓繞組一般采用三角形接線法（DELTA）（Δ）聯(lián)結(jié)。3次諧波電流將在三角形聯(lián)結(jié)的高壓繞組中循環(huán)，并保持在變壓器的高壓側(cè)。雖然這些3次諧波電流也會產(chǎn)生渦流從而產(chǎn)生熱量（如所有諧波電流一樣），但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如直接流經(jīng)中性線中的3次諧波電流產(chǎn)生的發(fā)熱量那么大。

      對于大多數(shù)中壓和高壓系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載性質(zhì)決定不需要中性線時，產(chǎn)生的3次諧波電壓基本可以忽略。在這些應(yīng)用中，只要保持較低的總諧波失真，并且注意減少或消除并聯(lián)發(fā)電機組的中性點和接地點之間的環(huán)流，則通常適合使用5/6節(jié)距交流發(fā)電機。

 

圖3  發(fā)電機節(jié)距示意圖

圖4  六分之五節(jié)距發(fā)電機諧波波形

 

總結(jié)：

      除了上述內(nèi)容外，我們需要注意的是不同類型的發(fā)電機對節(jié)距的要求有所不同。例如，交流發(fā)電機的節(jié)距一般較小，通常在1-2毫米之間；而直流發(fā)電機的節(jié)距一般較大，通常在10-20毫米之間。此外，發(fā)電機的設(shè)計和制造標(biāo)準(zhǔn)也會對節(jié)距的要求進(jìn)行規(guī)定。發(fā)電機節(jié)距的計算是確保發(fā)電機正常運行和高效發(fā)電的重要步驟。選擇合適的節(jié)距計算方法，根據(jù)發(fā)電機的設(shè)計要求和實際情況進(jìn)行計算，可以提高發(fā)電機的性能和效率，減少能源的浪費。

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